劉光毅,王啟星,劉建軍,王飛,鄭毅
(中國(guó)移動(dòng)研究院無(wú)線與終端技術(shù)研究所,北京 100053)
第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)的快速部署和滲透不僅帶來(lái)了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的空前繁榮,也催生著新的業(yè)務(wù)和應(yīng)用。隨著4G的成功商用,研究人員開(kāi)始將目光投向新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)——5G。5G旨在提供更高數(shù)據(jù)速率、更低延遲、極高的可靠性、極高流量密度以滿足增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶、超低時(shí)延超高可靠、大連接等場(chǎng)景下的未來(lái)業(yè)務(wù)需求[1]。為了實(shí)現(xiàn)這些能力,5G系統(tǒng)需要支持更大的帶寬、更多的天線、更高的處理能力、更靈活的協(xié)議和硬件結(jié)構(gòu),這些都構(gòu)成了對(duì)基站和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提出了代際更替要求,對(duì)基站的產(chǎn)品研發(fā)提出了非常高的挑戰(zhàn)。
考慮到5G從技術(shù)研究到標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品的整個(gè)周期大為縮短,這就要求5G的發(fā)展要以超常規(guī)的方式來(lái)推進(jìn),實(shí)現(xiàn)技術(shù)成熟、標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)品化的齊頭并進(jìn)。隨著5G的第一個(gè)完整的標(biāo)準(zhǔn)版本Release 15在2018年6月的功能凍結(jié),5G的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)進(jìn)入最后沖刺階段,基于5G標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)實(shí)驗(yàn)和外場(chǎng)測(cè)試對(duì)加速 5G的商用進(jìn)程尤為關(guān)鍵。為此,在IMT-2020推進(jìn)組的統(tǒng)籌規(guī)劃下,國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商紛紛開(kāi)始了面向5G的規(guī)模實(shí)驗(yàn)。
本文結(jié)合產(chǎn)業(yè)的最新進(jìn)展,介紹5G預(yù)商用基站系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化,特別是面向3.5 GHz的上行覆蓋增強(qiáng)技術(shù)(SUL,supplementary uplink)及其仿真性能評(píng)估,并開(kāi)展5G基站樣機(jī)的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn),對(duì)5G系統(tǒng)的單用戶峰值吞吐量、多用戶吞吐量、室內(nèi)外覆蓋的能力和時(shí)延進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試和驗(yàn)證。
對(duì)于5G基站樣機(jī)的設(shè)計(jì),需要考慮的主要包括空口的基本參數(shù)和大規(guī)模天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
工作頻段:3 400~3 600 MHz,系統(tǒng)帶寬≥100 MHz[2-3]。
波形:下行鏈路采用循環(huán)前綴-正交頻分復(fù)用(CP-OFDM,cyclic prefix-orthogonal frequency division multiplexing);上行鏈路采用CP-OFDM和離散傅里葉變換擴(kuò)頻 OFDM(DFT-S-OFDM,digital Fourier transform spread orthogonal frequency division multiplexing)[4];支持為免調(diào)度物理上行共享信道(PUSCH,physical uplink share channel)配置波形;支持通過(guò)重新配置或物理下行控制信道(PDCCH,physical downlink control channel)指示調(diào)整上行波形。
鏈路的多址:支持上行鏈路和下行鏈路的正交多址(OFDMA,orthogonal frequency division multiple access)。
信道編碼:上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)信道采用低密度檢驗(yàn)碼(LDPC,low density parity check code),上行鏈路和下行鏈路控制通道采用Polar碼[5]。
調(diào)制方案:下行鏈路支持 QPSK(quadrature phase shift keying)、16QAM(QAM,quadrature amplitude modulation)、64QAM和256QAM;上行鏈路支持keying),BPSK,QPSK,16QAM 和 64QAM,建議使用256QAM[6]。
MIMO(multiple input and multiple output):下行單用戶MIMO支持4個(gè)下行鏈路MIMO層,建議使用8個(gè)下行鏈路MIMO層;上行鏈路單用戶MIMO支持2個(gè)上行鏈路MIMO層,建議使用4個(gè)上行鏈路MIMO層;下行鏈路多用戶MIMO支持的層數(shù)≥16,上行鏈路多用戶MIMO支持的層數(shù)≥8;支持基于覆蓋要求的公共PDCCH覆蓋增強(qiáng),如系統(tǒng)信息塊(SSB, system synchronization/public broadcast channel block),信道狀態(tài)信息參考符號(hào)(CSI-RS, channel status information reference signal),剩余最小系統(tǒng)消息(RMSI, remaining minimum system information)等;根據(jù)上行鏈路探測(cè)導(dǎo)頻(SRS, sounding reference signal)或測(cè)量報(bào)告[7],區(qū)分UE選擇下行鏈路波束以增加覆蓋范圍。
假設(shè)100 MHz帶寬中,下行鏈路的資源配置占70%,上行鏈路的資源配置占 20%,保護(hù)間隔占10%。單用戶峰值速率要求為:下行鏈路1.3 Gbit/s(256 QAM,不少于4個(gè)數(shù)據(jù)流)或者2 Gbit/s(64 QAM,不少于8數(shù)據(jù)流);上行鏈路175 Mbit/s(64 QAM,2個(gè)數(shù)據(jù)流)或者370 Mbit/s(64 QAM,4個(gè)數(shù)據(jù)流)。多用戶的小區(qū)峰值吞吐量要求為:下行大于4 Gbit/s(大于16個(gè)數(shù)據(jù)流),上行大于700 Mbit/s(大于8個(gè)數(shù)據(jù)流)。多用戶MIMO技術(shù)的使用是5G系統(tǒng)提供更高速率的關(guān)鍵[8]。5G樣機(jī)幀結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 5G樣機(jī)幀結(jié)構(gòu)
幀結(jié)構(gòu)采用 2.5 ms傳輸周期;支持 2~4符號(hào)GP配置(例如4個(gè)符號(hào)GP);#0、#1、#2時(shí)隙每2.5 ms固定為下行時(shí)隙。#3時(shí)隙是下行-GP-上行格式中的下行為主的時(shí)隙。SSB信號(hào)可以在#0、#1、#2及#3時(shí)隙中傳輸。#4時(shí)隙固定為上行時(shí)隙,隨機(jī)接入信道可以在#4時(shí)隙中傳輸。
對(duì)于基站樣機(jī)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā),除200 W總發(fā)射功率和100 MHz帶寬要求外[2-3],最大的挑戰(zhàn)來(lái)自于大規(guī)模天線的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。
對(duì)于3.5 GHz頻率,考慮鐵塔對(duì)天面尺寸的要求,迎風(fēng)面小于0.5 m2的要求、半波長(zhǎng)的水平方向陣元間距,以及0.75波長(zhǎng)的垂直方向間距,陣子的雙極化等因素,一副天面總共可以布設(shè)192個(gè)陣子,每個(gè)陣子的極化方向96個(gè),如圖2所示,圖中“×”表示交叉極化的2個(gè)天線陣元。
圖2 3.5 GHz所能采用的最大天線尺寸和天線數(shù)布局
考慮系統(tǒng)性能的提升與硬件復(fù)雜度之間的折中,需要優(yōu)化有源天線單元(AAU,active antenna unit)所支持的射頻(RF,radio frequency)通道數(shù),也就是獨(dú)立的天線端口數(shù)。為便于基帶的數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)化,天線端口數(shù)通常選擇2的冪次,如2個(gè)、4個(gè)、8個(gè)、16個(gè)、32個(gè)、64個(gè)、128個(gè)。
綜合考慮不同天線端口數(shù)的物理能力對(duì)比,64通道天線在垂直維度上具有最好的波束掃描能力,適用于覆蓋更加立體的環(huán)境,所以在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中將采用64通道的3D-MIMO天線。
對(duì)于支持100MHz帶寬,64通道天線端口的3.5 GHz 3D-MIMO天線,由于考慮RF和天線的一體化集成 AAU,需要定義 AAU和基帶處理之間的接口??紤]傳統(tǒng)的(CPRI, common public radio interface)接口,對(duì)于100 MHz和64通道天線端口的3.5 GHz樣機(jī)來(lái)說(shuō),如果考慮傳統(tǒng)的CPRI接口、16 bit量化方式,CPRI的接口容量要求是259.5 Gbit/s,需要3根100 Gbit/s的光纖,特別是對(duì)于C-RAN(centralized radio access network)的集中化部署場(chǎng)景,對(duì)光纖的需求量將是非常巨大的,實(shí)際難以滿足容量的要求。同時(shí),由于目前前傳接口的光模塊成本比較高,導(dǎo)致基站成本大幅上升,所以需要考慮優(yōu)化的解決方案,以及加快推動(dòng)100 Gbit/s光模塊的成熟和成本下降。
1)CPRI壓縮
CPRI壓縮方案。通過(guò)降低采樣率和量化比特?cái)?shù)以降低接口帶寬,比如 2.6:1的壓縮率,這樣可以用一個(gè)100 Gbit/s的光模塊滿足容量的需求,大幅降低成本,同時(shí)光模塊數(shù)量少,接口的復(fù)雜度低,對(duì)重量的增加最少。目前,100 Gbit/s的光模塊預(yù)計(jì)2020年前可以成熟,并且成本可以大幅度下降,滿足2020年5G商用部署的需求。
2)增強(qiáng)的公共無(wú)線接口標(biāo)準(zhǔn)(eCPRI, enhanced common public radio interface)
eCPRI接口方案。將一部分物理層(PHY層)功能上移到AAU中,如在下行僅傳輸編碼后的數(shù)據(jù),在上行僅傳輸空間處理(MIMO處理)之后的數(shù)據(jù),如圖3所示,從而降低前傳接口帶寬。
eCPRI的基帶上移可以有不同的定義,如圖3所示,虛線以下或者實(shí)線以下的功能都可以上移到AAU,移動(dòng)越多,對(duì)AAU的挑戰(zhàn)越大。
圖3 CPRI和eCPRI的接口劃分方案
eCPRI方案1 25 Gbit/s接口容量,AAU完成Digital BF、信道估計(jì)/均衡等功能。由于基帶上移到AAU,為了降低對(duì)功耗、體積的影響,可能簡(jiǎn)化算法以降低處理復(fù)雜度,進(jìn)而損失3D-MIMO的性能。
eCPRI方案2 2×25 Gbit/s接口容量,AAU主要完成digital BF的功能,如使用空間濾波相當(dāng)于做了矩陣降維的處理,性能取決于算法實(shí)現(xiàn),如濾波使用的導(dǎo)頻(SRS或DMRS),性能需要驗(yàn)證。
對(duì)于eCPRI解決方案,雖然解決了接口容量的問(wèn)題,但是帶來(lái)了許多新的問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn),需要在后續(xù)產(chǎn)業(yè)化中充分重視和考慮,具體如下。
① 增加AAU的重量、體積和功耗,增加工程部署和施工難度。
② 物理層功能上移,為了優(yōu)化重量、功耗和體積,可能簡(jiǎn)化算法性能,進(jìn)而影響基站的整體性能。
③ 物理層功能上移,增加AAU的故障率,增加未來(lái)天面操作的概率,潛在增加網(wǎng)絡(luò)維護(hù)成本。
④ 基帶上移,現(xiàn)有的能力可能難以滿足未來(lái)更先進(jìn)、更復(fù)雜的物理層功能的要求,影響基站的前向兼容性。
整個(gè)大規(guī)模天線基站的幾何特征,包括整機(jī)的重量、尺寸、體積等,基本滿足鐵塔對(duì)AAU的要求。5G樣機(jī)的的幾何特征如表1所示。
表1 5G樣機(jī)的幾何特征
對(duì)于 5G的網(wǎng)絡(luò)部署,考慮到目前全球分配的大多數(shù)5G頻率都在3 GHz以上,預(yù)期其覆蓋能力將比4G的頻率要差,為了提升5GNR的單基站覆蓋能力,特別是上行鏈路的覆蓋能力,3GPP在5G標(biāo)準(zhǔn)中引入了一種輔助上行載波來(lái)增強(qiáng)上行覆蓋能力,即在中高頻段的上行覆蓋不足時(shí),將 5G的上行鏈路切換到一個(gè)更低頻段,而下行鏈路仍然保留在原有的頻段。這樣,利用更低頻段的較好傳播特性,可以提升 5G系統(tǒng)上行鏈路的覆蓋性能。
在較高頻段(3.5 GHz頻段)部署宏網(wǎng)無(wú)縫覆蓋的5G系統(tǒng)時(shí),可能存在上行傳輸覆蓋受限和數(shù)據(jù)速率受限問(wèn)題,采用更低頻段的 SUL可較好地緩解該問(wèn)題。將一個(gè)低頻的全上行載波(如1.8 GHz的10 MHz)與一個(gè)上行覆蓋受限的TDD載波進(jìn)行配對(duì)傳輸,從而有效地提升弱覆蓋用戶的上行傳輸覆蓋。
為了對(duì)SUL引入后的性能有一個(gè)合理的預(yù)期,本文對(duì)引入1.8 GHz(10 MHz)SUL進(jìn)行了理論仿真分析,具體的仿真假設(shè)如表2所示,仿真的主要結(jié)果如圖4所示。
表2 仿真評(píng)估假設(shè)
圖4 上行邊緣吞吐量的仿真對(duì)比
從圖4的仿真結(jié)果可以看出,在低穿透損室內(nèi)環(huán)境下,1.8 GHz在基站4天線收和終端23 dBm發(fā)射功率(簡(jiǎn)稱4R,12 dBm)的情況下,小區(qū)邊緣吞吐量可達(dá)2.78 Mbit/s;而3.5 GHz在64天線收和23 dBm發(fā)射功率下(簡(jiǎn)稱64R,23 dBm),上行邊緣吞吐量為0.67 Mbit/s;如果上行發(fā)射功率增加為26 dBm(簡(jiǎn)稱64R,26 dBm),則吞吐量可增加到0.84 Mbit/s。所以1.8 GHz的SUL相對(duì)于3.5 GHz,可增加邊緣速率2.3~3.2倍。對(duì)于高穿透損室內(nèi)環(huán)境,1.8 GHz的SUL的增益則為2~3.6倍。
圖5 5G實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)
為了盡早對(duì)5G系統(tǒng)組網(wǎng)、覆蓋等性能進(jìn)行摸底驗(yàn)證,面向規(guī)模實(shí)驗(yàn),華為在上海研發(fā)基地建設(shè)了5G的實(shí)驗(yàn)外場(chǎng),結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡匦蔚孛?,該區(qū)域可看作是密集城區(qū)環(huán)境,建筑物比較密集,樓層較高。整個(gè)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示,包括測(cè)試的終端、基站、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)。
對(duì)于5G初期部署的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶應(yīng)用場(chǎng)景,峰值數(shù)據(jù)速率、小區(qū)吞吐量、室內(nèi)覆蓋能力和時(shí)延是具有標(biāo)志意義的關(guān)鍵性能指標(biāo)。因此,在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中,著重對(duì)上述四大關(guān)鍵性能指標(biāo)進(jìn)行了測(cè)試和摸底。在測(cè)試中,配置70%的時(shí)間資源用于下行傳輸,剩余的資源為保護(hù)時(shí)隙間隔和上行傳輸資源。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),樣機(jī)支持QPSK、64QAM、256QAM等高階調(diào)制以及多種碼率。
單用戶峰值速率是基站的一種能力測(cè)試,對(duì)于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)并無(wú)多大的參考意義,所以,為了完成峰值速率的測(cè)試,本文選擇了一個(gè)下行接收信號(hào)強(qiáng)度(RSRP,reference signal received power)足夠大的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。具體的測(cè)試結(jié)果如圖6所示,對(duì)比了100 MHz帶寬的5G和10 MHz帶寬的4G FDD(LTE FDD,long term evolution, fullduplex division)的下行和上行峰值吞吐量。
圖6 單用戶峰值速率測(cè)試環(huán)境
在與單用戶峰值速率測(cè)試相同的環(huán)境下,完成了多用戶的小區(qū)吞吐量的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖7所示。
從測(cè)試結(jié)果可以看出,下行通信16個(gè)用戶32個(gè)數(shù)據(jù)流可實(shí)現(xiàn)高于10 Gbit/s的峰值速率,下行8個(gè)用戶可實(shí)現(xiàn)2.5 Gbit/s的小區(qū)吞吐量。而上行4用戶時(shí),由于上行分配的傳輸時(shí)間資源有限,僅可實(shí)現(xiàn)800 Mbit/s的上行小區(qū)吞吐量,但預(yù)期上行空間復(fù)用的用戶數(shù)越多,上行的峰值吞吐量越高。
圖7 實(shí)測(cè)5G小區(qū)峰值吞吐量
與4G系統(tǒng)的40 Mbit/s、20 MHz的典型小區(qū)吞吐量相比,當(dāng)帶寬被歸一化后,5G可以實(shí)現(xiàn)數(shù)10倍以上的下行小區(qū)吞吐量增益。因此,與4G相比,3D-MIMO可以實(shí)現(xiàn)5G的頻譜效率提升至 4G的3~5倍的目標(biāo),滿足3GPP的最小性能要求。
表3 室內(nèi)覆蓋對(duì)比測(cè)試結(jié)果
對(duì)于5G系統(tǒng),室外基站覆蓋室內(nèi)環(huán)境(O2I,outdoor to indoor)的性能非常關(guān)鍵,因?yàn)?0%的業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi),而現(xiàn)網(wǎng)中大部分的室內(nèi)業(yè)務(wù)是通過(guò)室外宏站覆蓋室內(nèi)解決的。所以,在測(cè)試中專門引入了室外覆蓋室內(nèi)的測(cè)試,特別是對(duì)比了1.8 GHz SUL和僅3.5 GHz NR時(shí)的邊緣吞吐量性能,具體的測(cè)試結(jié)果如表3所示。
在測(cè)試中,本文選擇了一些弱覆蓋的點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比測(cè)試,將同一個(gè)點(diǎn)的1.8 GHz/3.5 GHz的下行接收信號(hào)強(qiáng)度RSRP和相應(yīng)的上行吞吐量記錄在表格中。從結(jié)果可以看出,在弱覆蓋的環(huán)境下,1.8 GHz SUL可以帶來(lái)2倍以上的上行吞吐量的提升。
為了進(jìn)一步測(cè)試5G網(wǎng)絡(luò)的綜合業(yè)務(wù)體驗(yàn),本節(jié)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋環(huán)境下的用戶體驗(yàn)速率進(jìn)行一個(gè)連續(xù)測(cè)試。具體的測(cè)試結(jié)果如圖8~圖11所示。其中圖8和圖9分別是下行空載和下行50%加載條件下的單用戶拉網(wǎng)吞吐量的分布。從結(jié)果可以看出,在一般城區(qū)(400 m站間距),空載室外路測(cè)下行速率50%可達(dá)600 Mbit/s;加擾的影響非常大,將導(dǎo)致低于600 Mbit/s的比例大幅上升,即由22%上升到54%。
圖8 下行空載的單用戶吞吐量分布/(Mbit.s-1)
圖9 下行50%加載的單用戶吞吐量分布/(Mbit.s-1)
圖10和圖11分別是上行空載和5dB底噪抬升后的單用戶拉網(wǎng)吞吐量的分布圖。從測(cè)試結(jié)果可以看出,在一般城區(qū)(400 m站間距),空載室外路測(cè)上行速率大部分可以達(dá)到100 Mbit/s以上;加擾對(duì)吞吐量的影響比較大,導(dǎo)致低于100 Mbit/s的比例大幅上升,由24%上升到37%。
圖10 上行空載的單用戶吞吐量分布/(Mbit.s-1)
圖11 上行5dB底噪抬升后的單用戶吞吐量分布/(Mbit.s-1)
用戶面時(shí)延,也即數(shù)據(jù)正確傳輸?shù)臅r(shí)延,是5G標(biāo)準(zhǔn)的重要考核指標(biāo)之一。在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中,本文現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了單向的數(shù)據(jù)傳輸?shù)却龝r(shí)間(定義為在無(wú)線空口上行或者下行方向,從空口協(xié)議棧層2或者層3 SDU入口點(diǎn)到對(duì)端協(xié)議棧層2或者層3 SDU出口點(diǎn),成功傳輸一個(gè)應(yīng)用層分組所用的時(shí)延)。測(cè)試中,傳輸具有隨機(jī)大小的FTP數(shù)據(jù)分組,并且測(cè)試每個(gè)數(shù)據(jù)分組的傳輸?shù)却龝r(shí)間,然后在1 s的時(shí)間窗內(nèi)進(jìn)行平均。
外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,eMBB業(yè)務(wù)的用戶面延時(shí)在3.5~4 ms,5G標(biāo)準(zhǔn)可以滿足增強(qiáng)的移動(dòng)寬帶應(yīng)用場(chǎng)景下的空口低時(shí)延小于4 ms的要求。
基于3GPP最新標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展,本文介紹5G新空口技術(shù)的基站樣機(jī)設(shè)計(jì)、SUL覆蓋增強(qiáng)及性能仿真,以及為了綜合驗(yàn)證5G通信系統(tǒng)組網(wǎng)、覆蓋等性能的外場(chǎng)測(cè)試,對(duì)5G通信系統(tǒng)的單用戶峰值吞吐量、多用戶吞吐量、室內(nèi)外覆蓋能力和時(shí)延進(jìn)行了詳細(xì)的測(cè)試和驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果顯示,5G通信系統(tǒng)可以滿足 3GPP定義的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)場(chǎng)景的5G性能指標(biāo)需求,可帶來(lái)5倍以上的頻譜效率的提升。另外,SUL利用低端FDD頻譜的更好覆蓋特性和連續(xù)傳輸,可較好地提升3.5 GHz頻率在弱覆蓋場(chǎng)景下的上行吞吐量。面對(duì)未來(lái) 5G
網(wǎng)絡(luò)連續(xù)部署以及更加綜合業(yè)務(wù)的需求,后續(xù)的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)還需要進(jìn)行更大規(guī)模的組網(wǎng)實(shí)驗(yàn),體現(xiàn)更加真實(shí)的干擾環(huán)境。同時(shí)考慮更加綜合的業(yè)務(wù),比如 URLLC(ultra reliable and low latency communication)以及物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)需求,需要更加全面的資源分配策略,保證在同一網(wǎng)絡(luò)下能滿足多種業(yè)務(wù)的需求。